Anxiolytic properties of coumarin compounds
Jarosław Widelski(1),Gabriela Widelska(2), Dominik Straszak(3), Wiktoria Chodun(4), Adrianna Skiba(1)
(1) Katedra Farmakognozji Z Pracownią Roślin Leczniczych, Uniwersytet Medyczny w Lublinie
(2) Katedra Chemii Zakład Chemii Nieorganicznej, Uniwersytet Medyczny w Lublinie
(3) Katedra i Zakład Syntezy i Technologii Chemicznej Środków Leczniczych, Uniwersytet Medyczny w Lublinie
(4) Katedra Kosmetologii, Wydział Wychowania Fizycznego i Zdrowia, Akademia Wychowania Fizycznego w Warszawie Filia w Białej Podlaskiej
Jarosław Widelski: jwidelski@pharmacognosy.org Słowa kluczowe: stany lękowe
Streszczenie
Lęk i różnorodne stany lękowe stanowią obecnie coraz większy problem zarówno zdrowotny i społeczny, ze względu na koszty jakie generuja oraz coraz większa liczbe osób, które dotykają.
Stosowane od lat leki syntetyczne (benzodiazepiny) obarczone sa licznymi dziąłaniami niepożądanymi, dlatego poszukuje się substancji o działaniu przeciwlękowym (anksjolitycznym) pośród związków pochodzenia naturalnego. Jedna z grup związków naturalnych wykazujących takie działanie są zwiazki kumarynowe.
1. Wstęp
Lęk, a w zasadzie różnorodne postacie stanu lękowego są skomplikowaną, co do przebiegu, klasyfikacji i przyczyn chorobą dotykającą psychiki człowieka. Do głównych symptomów tej choroby, a w zasadzie grupy kilkudziesięciu schorzeń należą nadmierna obawa oraz nieuzasadniony i irracjonalny (co do przyczyny oraz natężenia) lęk oraz unikanie obiektów, miejsc i sytuacji, które nie stanowią zagrożenia. Diagnostyka i klasyfikacja stanów lekowych jest trudna ze wzlędu na szeroki zakres objawów i różny stopień ich nasilenia oraz różnice związane z takimi czynnikami jak wiek, różnorodne czynniki idywidualne oraz osobnicza reakcja na równego typu rodzaje terapii (Gelfuso i in. 2013). Wśród stanów lękowych wyróżnić można: uogólnione zaburzenia lękowe (generalized anxiety disorder-GAD), zespół stresu pourazowego (PTSD), fobie społeczne, agorafobie, specyficzne odmiany fobii czy lęk separacyjny (Baxter i in. 2012; Gołyszny i in. 2018).
2. Opis zagadnienia
W leczeniu stanów lękowych stosowanych jest kilka rodzajów terapii jednak najczęściej stosowana jest farmakoterapia oparta o syntetyczne środki o działaniu anksjolityczny (przeciwlękowym). Choć istnieje kilka klas anksjolityków dominującą grupą wykorzystywaną w terapii lęku są benzodiazepiny. Benzodiazepiny (BZD) stosowane są oprócz terapii lęku w leczeniu różnych schorzeń przebiegających z drgawkami (padaczki) oraz bezsenności (Cicek 2018; Rudolf i in. 2006). Terapia benzodiazepinami dosyć szybko pozwala złagodzić stany lękowe, lecz wiąże się z wieloma niebezpieczeństwami. Wśród nich wymienić należy rozwiajająca się szybko tolerancję na działanie leków oraz uzależnienie. Kolejne pochodne benzodiazepine uważane za leki skuteczniejsze i bezpieczniejsze charakteryzują się wieloma działaniami niepożądanymi. Należą do nich: zaburzenia procesów pamięciowych, spadek apetytu, nudności, senność, zaburzenia koordynacji ruchowej, osłabienie siły mięśniowej, spadek libido, bóle głowy, poczucie ogólnego osłabienia czy wreszcie nadmierny spadek tętniczego ciśnienia krwi. Dodatkowym problem są interakcje benzodiazepin z innymi lekami i substancjami działającymi na centralny układ nerwowy np. alkohol. Skala tego problem jest dość duża z uwagi na zwiększająca się liczbę chorych dotkniętych różnymi stanami lękowymi ( w tym fobiami), którzy są poddawani terapii BZD (Gelsfuso i in. 2013).
Dlatego trwają poszukiwania substancji pochodzenia naturalnego o aktywności przeciwlękowej o dużej skutecznośći, ale obdarzonych mniejszymi działaniami niepożądanymi (lub ich pozbawionymi), które mogłyby częściowo zastąpić coraz powszechniej używane benzodiazepiny.
3. Przegląd literatury
Istnieje wiele grup związków naturalnych (alkaloidy, flawonoidy, olejki eteryczne) które wykazują działanie wobec centralnego układu nerwowego, przejawiając różne rodzaje aktywności farmakologicznej takich jak działanie przeciwdepresyjne, przeciwbólowe, psychotyczne, poprawiające pamięć i wiele innych. Jedną z grup związków naturalnych badanych w kierunku działania na układ nerwowy są związki kumarynowe. Kumaryny są pochodnymi benzo-α-pironu i metabolitami wtórnymi roślin. Występują one dość powszechnie różnych organach roślin zwłaszcza z rodzin Apiaceae i Rutaceae. Rośliny należące do obu wymienionych rodzin mają duże znaczenie dla człowieka, ponieważ wiele z nich stanowi składnik codziennej diety większości ludzi. Gatunki reprezentujące wspomniane rodziny są też ze względu na swe właściwości leczniczych wykorzystywane w medycynie klasycznej, tradycyjnej oraz alternatywnej ze względu na ich niski koszt, łatwą dostępność oraz znikome efekty uboczne (Skalicka-Woźniak i in. 2016). Związki kumarynowe dzielimy na kumaryny proste, furanokumaryny oraz piranokumaryny. Niezależnie do jakiej grupy należą kumaryny wykazują szereg interesujących aktywności biologicznych takich jak:
działanie przeciwbakteryjne, przeciwwirusowe, przeciwnowotworowe, przeciwzapalne oraz antyoksydacyjne (Kontogiorgis i in. 2021). Szczególnie interesujący wydaje się wpływ różnych związków kumarynowych na centralny układ nerwowy. Będąc inhibitorami monoaminooksydazy (MAO) oraz agonistami dopaminy i serotoniny kumaryny i ich pochodne wykazują działanie przeciwdepresyjne. Związki kumarynowe mają też zdolność hamowania enzymów acetylocholinoesterazy (ACHE) oraz butyrylocholinoesterazy (BCHE), dzięki czemu zwiększają stężenie neuroprzekażników w centralnym układzie nerwowym np. acetylocholiny, co wykorzystywane jest w leczeniu wielu chorób neurodegeneracyjnych np. róznych rodzajów demencji oraz choroby Alzheimera (AD). Dotykające coraz więcej osób schorzenie (ze względu na starzenie się społeczeństwa) charakteryzuje się deficytem acetylocholiny, która odgrywa kluczową rolę w prawidłowym przebiegu procesów pamięciowych. Acetylocholinoesteraza jest enzymem odpowiedzialnym za rozkład tak ważnego przekaźnika jakim jest acetylocholina i zdaje się być odpowiedzialna za przyśpieszenie procesów tworzenia złogów β-amyloidu, co jest jednym z objawów choroby na poziomie komórkowym i powoduje dalsze zaburzenie w prawidłowym funkcjonowaniu mózgu (Hostettmann i in. 2006; Skalicka-Woźniak 2016).
Związki kumarynowe dzięki niewielkim rozmiarom cząsteczek oraz swojej lipofilości są zdolne do przekraczania bariery krew-mózg i odziaływania na centralny układ nerwowy. Dzięki budowie cząsteczki, bogatej w podstawniki oraz grupy funkcyjne kumaryny sa zdolne do tworzenia wielu naturalnych lub syntetycznych pochodny, których aktywność biologiczna jest modyfikowana w pożądanym kierunku (Skalicka-Woźniak 2016).
Działanie przeciwlękowe
Jedną z tych aktywności naturalnych substancji, jakimi są związki kumarynowe, która skupia zainteresowanie świata nauki jest oddziaływanie na układ GABA-ergiczny i modulowanie aktywności kwasu γ-aminomasłowego.
Kwas γ-aminomasłowy jest podstawowym neuroprzekaźnikiem o charakterze hamującym centralny układ nerwowy ssaków (Dekermendjian i in. 1996). GABA jako neuroprzekaźnik oddziaływuje na receptor GABAA, który jest receptorem jonotropowym, a dokłądniej kanałem jonowym bramkowanym przekaźnikiem. Jest to rodzaj receptora błonowego sprzężonego z kanałem jonowym działającym na zasadzie transportu biernego. Receptor GABAA zbudowany jest z pieciu podjednostek w tym dwóch podjednostek α, dwóch podejednostek β i jednej γ. Aktywność receptora jest regulowana przede wszystkim endogennym, swoistym ligandem (kwasem γ-aminomasłowym), który powodując aktywację receptora otwiera kanał jonowy, co skutkuje napływem jonów Cl- do wnętrza komórki (neuronu) powodując hiperpolaryzację. Stan ten utrudnia powstawanie potencjałów czynnościowych i przekazywania impulsów nerowych, a więc informacji w układzie nerwowym
(Cicek i in. 2018). Ze względu na dużą różnorodnośc strukturalną enzymu oraz dużą liczbę allosterycznych miejsc wiązania wiele substancji zarówno naturalnych jak i syntetycznych ma zdolność modulacji aktywności receptora GABAA (Cicek i in. 2018). Liczne eksperymenty oraz badania kliniczne udowodniły z kolei, że inhibicja neuroprzekaźnictwa w układzie GABA-ergicznym jest odpowiedzialna za zmniejszenie poziomu lęku (działanie anksjolityczne (Shader i in. 1993;
Skalicka-Woźniak i in. 2016). Wiele grup leków takich jak benzodiazepiny (BZD), barbiturany, etanol czy anestetyki zmieniaja aktywnosć receptora nie oddziaływując bezpośrednio na jego centrum aktywne a reagując z allosterycznymi miejscami wiązania zlokalizowanymi w innych cześciach recptora (Cicek i in. 2018).
Rośliny lecznicze w tym zawierające związki kumarynowe stały się obiektem intensywny badań w ramach poszukiwań naturalnych substancji o działaniu anksjolitycznym, z uwagi na to, że liczne grupy związków naturalnych takich jak alkaloidy czy związki polifenolowe (flawonoidy, flawany, izoflawonoidy czy chalkony), lignany, terpeny i inne wykazały zdolność modulacji aktywności receptora GABAA (Cicek i in. 2018).
Badania na modelu zwierzecym (myszy), że imperatoryna (należąca do grupy furanokuamryn) w dawce 10 mg/ kg masy ciała, podana myszom 30 minut przed umieszczeniem ich w podwyzszonym labiryncie krzyżowym (elevate plus maze test – EPM test) wpłynęła na zwiększenie czasu spędzonego w otwartych ramionach labiryntu, a także liczbę wejść do otwartych ramion, co wskazuje na zmniejszenie się poziomu lęku, a co za tym idzie działnie anksjolityczne badanej kumaryny (Budzyńska i in. 2012). Podana ponownie imperatoryna powodowała podwyższenie opisywanych parametrów w sposób znaczący. Dodatkowo stwierdzono, że imperatoryna osłabia anksjogenne (wywołujące lęk) działanie nikotyny (Budzyńska i in. 2013).
Wyniki sugerują, że imperatoryna i jej pochodne mogą być potencjalnie wykorzystywane do leczenia chorób przebiegjących z podwyższonym poziomem lęku, a także pomogać w uporaniu się z nikotynizmem (Skalicka-Woźniak i in. 2016). Ekstrakty metanolowe otrzymane z różnych części arcydzięgla lekarskiego (Rys.1) (Archangelica officinalis) takich jak korzeń, łodyga, liście, owoce oraz ekstrakt z całej rośliny wykazały aktywność anksjolityczną (Kumar i in. 2011). Badania były przeprowadzone na modelu zwierzęcym (szczury) z wykorzystaniem metody podniesionego labiryntu krzyżowego (EPM-elevated plus maze). Jako kontrolę zastosowano syntetyczna substancję o działaniu anksjolitycznym, pochodną benzodiazepin – diazepam (Kumar i in. 2011).
Najaktywniejsze okazały się ekstrakty z całej rośliny i korzeni; średnią aktywność przejawiały ekstarkty otrzymane z liści i owoców, podczas gdy najsłabszą aktywność miał ekstrakt metanolowy z łodyg arcydzięgla (Kumar i in 2011).
W badaniach dotyczacych aktywności anksolitycznej wykorzystano znany i stosowany od dawwna model podniesionego labiryntu krzyżowego (EPM-elevated plus maze), który jest obecnie testem pierwszego wybory jeśli chodzi o określanie aktywności anksjolitycznej różnych badanych substancji. Zasada jego działania bazuje na naturalnym konflikcie pomiędzy chęcia odkrywania nowego środowiska (otwarte ramiona labiryntu), a skłonności do unikania niebezpieczeństwa. Jeśli zwierzę poddane testom zwiększa czas spędzany w otwartych ramionach labiryntu oraz zwiększa liczbę wejśc na otwarte ramiona, to znaczy, ze zmniejsza się jego poziom lęku i podana substancja wykazuja aktywność anksjolityczną.
Otrzymane wyniki potwierdzają zasadność stosowania arcydzięgla lekarskiego w lecznictwie tradycyjnym wielu krajów jako leku na dolegliwości związane z centralnym układem nerowym takie jak nerwice i lęki (Kumar i in. 2011).
W celu potwierdzenia które związki kumarynowe obecne w arcydzięglu lekarskim sa odpowiedzialne za działanie ansjolityczne dokonano izolacji związków kumarynowych z ekstraktu z całej rośliny (Kumar i in 2013). Za pomocą techniki preparatywnej chromatografii cienkowarstwowej wyizolowano w czystej postaci imperatorynę, izoimperatorynę oraz frakcję będącą mieszaniną kumaryn. Następnie wyizolowane związki przestestowano pod względem aktywności przeciwlękowej na szczurach stosując kilka testów behawioralnych (podniesiony labirynt krzyżowy, test hole board i inne). W dawce 5 mg/kg masy ciała (podanie per os) podane razem z diazepamem (1 mg/kg masy ciała p.o.) wyizolowane kumaryny: imperatoryna, imperatoryna oraz frakcja zawierająca mieszaninę związków kumarynowcych wykazały znaczącą aktywność
anksjolityczną (przeciwlękową) (Kumar i in. 2013). Najaktywniejsza okazała się być frakcja zawierająca miesznainę kumaryn, co może świadczyć o efekcie synrgistycznym (Kumar i in. 2013).
W innych badaniach stwierdzono aktywność wielu związków kumarynowych wobec receptora GABAA. Spośród wielu testowanych kumaryn felopteryna okazała się być inhibitorem wiązania [3H]diazepamu do receptora benzodiazepinowego, a dokładniej do miejsca wiązania benzodiazepin na receptorze GABA (Sighuber i in. 2011).
Rys. 1. Archangelica officinalis.
Podobną aktywnością jak felopteryna (IC50=0,35 µM) w stosunku do receptora GABA cechowały się imperatoryna oraz byakangelikol choć wartości IC50 były znacznie wyższe (odpowiednio 8 i 12 µM).Szczególne powinowactwo związków kumarynowcych do receptora benzodiazepinowego wynika z ich budowy chemicznej. Na te właściwości mają wpływ lipofilowa grupa metokslowa w pozycji C5 oraz 3-metylo-2 butyneloksy- podstawnik w pozycji C8 połaczone z szkieletem furanokumarynowym (przykład felopteryny). Imperatoryna pozbawiona grupy metoksylowej w pozycji C5 czy bergapten bez łańcucha bocznego przy C8 cechują się mniejszym powinowactwem i aktywnością (Skalicka-Woźniak i in 2016). Intresujące aktywności posiadają inne liczne związki kumarynowe jak choćby ksantotoksyna (Rys. 2) czy piranokumaryny obecne w owocach z rodzaju i Seseli np. Seseli devenyense (Widelski i in 2005).
4. Podsumowanie
Związki kumarynowe, a wśród nich zarówno kumaryny proste, furanokumaryny oraz piranokumaryny reprezentują bardzo szeroki zakres aktywności biologicznych. Ważnym podkreślenia jest fakt, że kumaryny są składnikami wielu rośłin, które są spożywane w codziennej diecie, co ma istotny wpływ na codzienne życie i może być wykorzystywane w profilaktyce wielu chorób cywilizacyjny również poprzez tworzenie tzw. żywności funkcjonalnej. Należy podkreślić, że w całym spektrum aktywności farmakologicznej na szczególną uwagę zasługuje oddziaływanie związków kumarynowych na centralny ukłąd nerwowy. Duża liczba badań in vivo i i in vitro podkreśla dużą aktywność wielu naturalnych związków kumarynowych jak i ich syntetycznych pochodnych w schorzeniach centralnego układu nerwowego np. różnych stanach lękowych. Badania potwierdzające skuteczność kumaryn oraz mechanizmy leżące u podstaw ich działania dają nadzieję na stworzenie nowej grupy leków przeciwlękowych skutecznych, a pozbawionych działań niepożądanych.
Rys. 2. Ksantotoksyna, związek należący do furoanokumaryn.
5. Literatura
Baxter AJ, Scott KM, Vos T i in. (2012). Global prevalence of anxiety disorders: a systematic review and meta-regression. Psychological Medicine 43: 897 - 910
Budzyńska B, Kruk-Słomka M i in. (2013) Effects of imperatorin on nicotine-induced anxiety- and memory-related responses and oxidative stress in mice. Physiology&Behaviour 22 : 46-55 Budzyńska B, Kruk-Słomka M, Skalicka-Woźniak K i in. (2012) The effects of imperatorin on
anxiety and memory-related behaviour in male Swiss mice. Exp. Clin.Psychopharmacolo. 20:
325 -332
Cicek SS (2018) Structure-dependent activity of natural GABA (A) receptor modulators. Molecules 23, 1512
Dekermendjian K, Nielsen M, Sterner O I in. (1996) Characterization of furanocoumarin
phellopterin as a rat brain benzodiazepine receptor partial agonist in vitro. Neurosci. Letters 219:
151 – 154
Depression and Other Common Mental Disorders – World Health Organization 2017 Gelfuso EA, Rosa DS, Fachin AL I in. (2013) Anxiety: A systematic review of neurobiology,
traditional pharmaceuticals and novel alternatives from medicinal plants. CNS&Neurological Disorders – Drug Targets 12 (8): 1-17
Hostettmann K, Borloz A, Urbain A i in. (2006) Natural products inhibitors of acetylcholinesterase.
Curr. Org.Chem. 10: 825 -847
Kontogiorgis C, Detsi A, Hadjipavlou-Litina D (2012) Coumarin-based drugs: a patent review (2008-present). Expert Opin. Ther. Par. 22: 437 - 454
Kumar D, Bhat ZA (2011) Anti-anxiety activity of methanolic extracts of different parts of Angelica archangelica Linn. Journal of Traditional and Complementary Medicine 2 (3): 235 – 241 Kumar D, Bhat ZA, Kumar V i in. (2013) Coumarins from Angelica arcahangelica Linn. and their
effects on anxiety-like behavior. Progress in Neuro-Psychopharmacology&Biological Psychiatry 40: 180-186
Rudolph U, Mohler H (2006) GABA-based therapeutic approaches: GABAA receptor subtype functions. Curr. Opin. Pharmacol. 6: 18-23
Shader RI, Greenblat DJ (1993) Use of benzodiazepines in anxiety disorders. New Engl. J.Med. 328 : 1398 – 1405
Singhhuber J, Baburin I, Ecker GF I in. (2011) Insight into structure-activity relationship of GABAA receptor modulating coumarins and furanocoumarins. Eur. J. Pharmacol. 668: 57-64 Skalicka-Woźniak K, Orhan IE, Cordell Gai i in. (2016) Implication of coumarins towards central
nervous system disorders. Pharmacological Research, 103: 188-203
Widelski J, Melliou E, Fokialakis N i in. (2005) Coumarins from the fruits of Seseli devenyense.
Journal of Natural Products, 68: 1637-1641